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1、城轨车辆轻量化不锈钢车体有限元分析摘要:依照城轨轻量化不锈钢车体的实际结构，成立车体有限元模型; 参考国内外城轨车辆技术标准，确信计算载荷，进行车体应力计算及 模态分析，并将计算与实验结果对照，提出改良建议。关键词：城市轨道车辆；不锈钢车体；有限元分析为提高不锈钢车辆设计和制造水平，利用Nastran有限元软件，结 合天津津滨城市轨道不锈钢动车的车体结构，成立了该车体结构的有 限元模型，进行强度计算和模态分析，以查验车体设计的合理性及车 体结构强度是不是达到设计要求，为进行车体碰撞分析和结构优化研 究提供靠得住依据。1轻量化不锈钢车辆要紧参数和结构特点所研究的车辆为B型鼓形整体承载焊接轻量化车
2、体结构，车辆整体 要紧参数见表1,车体要紧部件利用的材料及其性质见表2。该车体主体结构（图1）由底架、侧墙、车顶、端墙和司机室骨架组 成。轻量化不锈钢车体结构与耐候钢车体一样，也是采纳板梁组合整 体承载全焊结构，但利用的板材更薄（车体外板厚mm,梁柱厚4 mm）,因此须采纳大量薄板（一样为mm）轧压成波纹状增强筋板与外 板点焊连接形成空腔，用来抗击剪力引发的翘曲。增强筋板不仅可使 热量堆积较少，降低蒙皮的应力，还能够使外板厚度比传统不锈钢车 体减少20%左右。车体的波纹顶板和地板选用的是mm厚的薄板。车 体的梁、柱依照受力不同采纳不同强度品级的不锈钢，优化设计截而 形状，尽可能降低板厚，减少材
3、料用量。采纳轻量化技术后，其重量 比一般钢车体大约可轻30%-40%o为减小焊接变形和避免高温下不锈钢材料机械性能下降，该车体制造 中大量采纳点焊技术，并用接触焊代替弧焊。车体外墙板与骨架之间 采纳电阻点焊连接，车体要紧承载结构中的梁柱之间那么采纳连接板 点焊和塞焊连接，板的拼接采纳先进的滚焊方式。由于点焊接头的强 度低，接头部位强度难以知足要求，故不锈钢车体结构中骨架连接部 位采纳连接板连接。通过这种连接板连接方式不仅能够保证接头的强 度，而且能够减小连接处的变形，保证车体的外观美1。2有限元模型和载荷工况有限元模型的成立依照该车体的结构特点，采纳前处置软件成立车体的有限元模型。由于车体结构
4、和载荷大体为纵向对称，因此，取车体的2进行分 析。为幸免开口梁单元应力失真，车顶、侧墙、端墙、底架、司机室 立柱均用高精度的壳单元PS H E LLo侧门框的增强槽铁那么用实体 单元PSOLID。螺栓连接的地址均用刚性约束单元RBE2。车体经受载 荷后，通过近万个焊点将力传递到车体各部位，因此，点焊的特性需 取得真实的表现。由于焊点与其周围结构相较刚度较大，采纳刚性约 束单元RBAR来建模，概念约束方程。结构底部二系悬挂采纳弹簧单元（横向和垂向）SPRING模拟。该有限元模型共由167 448个节点，159 608个壳单元，18个实体单 元，8 986个RBAR单元，156个RBE2单元，1
5、014个弹簧单元组成。计算扭转工况和模态分析时取整车作为计算模型。载荷工况参照标准2,确信表3中的7种工况进行计算。该车体采纳空气弹 簧，因此，动载荷系数k取3。计算载荷和边界条件的处置有限元模型的载荷位置、大小、方式依如实际载荷情形并参照标准2 进行处置。车体钢结构重量通过施加惯性力取得表现，重力加速度为 m/s2 ；车体除钢结构外的其他重量及超员重量是取一半以均布压力的 形式施加在地板上，垂向空载时地板均布力为kN/m2,垂向总载时地 板均布力为kX/m2 ；该车有2个空调机组，每一个空调机组的重量 均匀散布在空调机组安装座上，空调均布载荷为13 kN/m2 ；纵向载 荷为集中载荷，取一半
6、施加在牵引梁上车钩安装位置，拉伸载荷为320 kN,紧缩载荷为400 kN ；扭转载荷40 kN/m施加在边梁顶车位上。因结构和载荷对称，上述工况除工况5外，都要在纵向中央截面上施 加对称约束。所有工况都要对弹簧施加垂向和横向约束，由于纵向只 需约束刚体位移，因此，只需在车体一端任选两点约束其纵向位移。因结构和载荷对称，上述工况除工况5外，都要在纵向中央截面上施 加对称约束。所有工况都要对弹簧施加垂向和横向约束，由于纵向只 需约束刚体位移，因此，只需在车体一端任选两点约束其纵向位移。 3计算结果分析应力分析关于材料的许用应力，参考了相关标准25,并结合该不锈钢车体 的特点，确信了不同工况下的平
7、安系数。对只经受垂直载荷的工况平 安系数取，许用应力为材料的屈服极限除以平安系数；对既有垂直载 荷又有纵向载荷的工况平安系数取，许用应力为材料的屈服极限除以 平安系数；扭转工况的平安系数取，许用应力为对称循环疲劳极限除 以平安系数。各工况下材料的许用应力值见表4。垂直总载工况下，司机室骨架的最大应力MPa,发生在司机侧门和 车顶连接处。端部底架的最大应力1 4 1 MPa,发生在内层下边梁和 侧墙的焊接处。波纹地板的最大应力3 2 7 MPa,发生在二位端靠近 侧墙与底架小横梁连接处。底架横梁最大应力237 MPa,发生在二位 端第一根横梁和侧墙连接处。门框的最大应力213 MPa,发生在后侧
8、 门门角处。能够看出车体的结构应力都在许用应力范围之内（图2）。在合成工况1下，司机室骨架的最大应力113 MPa发生在前端和底 架连接处，端部底架最大应力256MPa发生在一名端外枕梁腹板的椭 圆孔边。波纹地板的最大应力384MPa发生在一名端侧墙和枕梁相交 处。底架横梁最大应力365 MPa发生在二位端第一根横梁和侧墙连接 处。窗角最大应力270 MPa发生在前侧门小窗口和盲柱相交处。侧墙 立柱最大应力288 MPa发生在盲柱与小窗口相连处。能够看出车体结 构应力都在许用应力范围之内（图3）。在合成工况2下，司机室骨架的最大应力201 MPa发生在司机侧门 和车顶连接处。端部底架的最大应力
9、256 MPa发生在二位端枕梁下盖 板圆弧处。波纹地板的最大应力412MPa发生在二位端枕梁中间部位。 底架横梁的最大应力发生在一名端第二根横梁与侧墙相交处。门框的 最大应力300 MPa发生在前侧门门角处。车顶板的最大应力357 MPa 发生在与中间的顶立板相交处。能够看出除司机室骨架超出许用应力 外，其他应力都在许用应力范围之内。司机室骨架垂直工况下应力较 小，在合成工况下应力较大，这可能与其和侧墙和车顶采纳螺栓连接 有关。在纵向载荷下，司机骨架和车顶连接处产生较大的剪切力（图 4)o其余工况下应力相对较小，且强度校核合格。从计算结果中发觉两种情形的应力集中，一种是由耐候钢材料和不锈 钢材
10、料之间点焊引发的（图5）, 一种是结构引发的（图6）o从图5 中可看出与外层下边梁点焊连接的内层下边梁上点焊引发周围区域的 应力集中半径大约为70 mm,最大应力大约为194 MPa,从图6中看 出枕梁的结构引发的周围区域应力集中半径大约为45 mm,最大应力 大约为254 MPa,若是2个应力集中区域发生叠加，其应力之和会超 过耐候钢材料的许用应力。刚度分析在垂直总载工况下,计算取得侧墙下边梁相对转向架支撑点的最大挠 度值为 丽，小于mm （标准3要求“在最大垂直载荷作用下车体静 挠度不超过两转向架支撑点之间距离的1%。”）。依照标准3中的计算 公式得出弯曲刚度EJ为X 108 N/m2 ,
11、车体的相对扭转角中为X 10-3 rad；相当扭转刚度 GJp 为 X 108 Nm2/rado该车体有限元计算的弯曲刚度和扭转刚度比国内其他城市轨道交通 B型车的弯曲刚度和扭转刚度要小一些。其缘故一方面是不锈钢的弹 性模量只有钢的85%,另一方面是受车体断面尺寸的阻碍，侧门宽度 大，而上门框到车平顶板距离只有300 mmo模态分析为幸免车体模态与转向架固有频率过于接近而产生共振，引发轮轨间 作使劲剧增，降低乘坐舒适性，危及行车平安，需对车体进行模态分 析。计算时不对车体施加任何约束，利用M S C . N A S T R A N提 供的运动自由度边界条件，排除无约束刚度矩阵的奇异。前6阶振动
12、 频率如表5所示。通过与国内其他地铁和轻轨的自振频率比较，结果 大体一致，知足利用要求。4计算与实验结果的比较强度比较四方车辆研究所给出了天津快轨车辆车体静强度实验结果，但由于该 实验的合成工况1及合成工况2都是依照 倍的垂向空车静载荷与纵 向载荷合成的，因此无法比较合成工况下的应力。另外，实验结果绝 大多数给的是测量点的单向应力。表6列出了同位置、同方向的有限 元计算结果和实验结果。从表6可看出在相同的位置对同方向应力进行比较，计算结果和实验 结果有所不同，但其趋势是一样的。刚度比较在垂直总载情形下，实验取得车体中心的最大挠度为mm,计算相当 弯曲刚度为X108Nm2,计算相当扭转刚度为X1
13、08Nm2/rad。测试结果 说明计算结果和实验大体吻合。5结论和建议(1)利用壳单元模拟车体的钢梁结构，用刚性单元形成的约束方程模 拟点焊和螺栓的有限元方式能较好反映轻量化不锈钢车体结构特点。(2)计算结果说明该轻量化不锈钢车体的强度和刚度能够知足利用要 求，强度和刚度的计算结果和实验结果趋势大体相同。(3)从计算结果发觉，焊点和结构都可能引发应力集中，因此，在制 订该类型车辆工艺时应注意幸免在结构易发生应力集中的区域布置焊 点，还要操纵焊点间距，幸免焊点之间彼此阻碍。参考文献1姚曙光，许平.轻型不锈钢车体结构研究.城市轨道交通研究， 2004 (5)2 TB/T1335-1996铁道车辆强度计算及实验鉴定标准3 GB/T7928-2003地铁车辆通用技术条件4日本工业标准(JIS) E7105-1989铁道车辆车体结构的实验方式5 欧 洲 标 准 EN12663:2000 , Rail-way applications.Structural re-quirements of railway vehicle bodies
